2016 VOL.26

�Report
写真位置�
削 除 し ないでください�

摺動表面のトライボロジー特性向上を目的としたレーザプロセッ

摺動表面のトライボロジー特性向上を目的としたシングによるマルチスケール・テクスチャリング技術に関する研究�
レーザプロセッシングによるマルチスケール・テクスチャリング技術に関する研究佐々木� 信也
佐々木

S. Sasaki

信也 *１．まえがき果を確認した．また，潤滑下での摺動特性を最適化するた� 環境問題への意識の高まりや製造業の国際競争力強化めのテクスチャ形状を設計するための ��� 解析を実施しを背景に，輸送機械や産業機械等のさらなる熱効率ならびた．その結果，表面テクスチャリングの効果は，単に流体に信頼性の向上と高機能化および高付加価値化が求めら潤滑膜における動圧発生効果のみによるのではなく，境界れている．トライボロジーは，これらの課題解決を担う基

潤滑状態における表面のなじみや，摩耗粒子の補足効果，盤技術であると同時に，他の容易な追従を許さないコア・さらには摩擦表面におけるトライボケミカル反応の促進テクノロジーとして，より高度な技術的要求への対応が求によってもたらされることが明らかとなった．また，創製められている．トライボロジー・システムの開発に当たっしたミクロな表面テクスチャ構造を維持する上で，耐摩耗ては，コスト低減や性能向上はもとより，環境負荷の少な性に優れる ��� コーティングを施すことにより，耐久性をい摺動材料，潤滑剤および製造プロセス等の採用が必須条大幅に向上できることを明らかにした．本報告では，トラ件となっており，これらを同時に解決する手段として表面

イボロジー特性改善のための表面テクスチャ創製におけ改質技術に寄せられる期待は大きい．そもそも，構造部材

る，レーザプロセッシングの役割と重要性についても言及

として材料に求められる性質と，外部との境界を成す材料する．

表面に求められる性質とは必ずしも一致せず，場合によっては相反する特性が求められることもある．そこで，表面

２．マルチスケール・テクスチャリングの概念に必要とされる性質を内部とは独立に付与し，機能の役割� ���� 表面テクスチャリングの効果�

分担による材料全体での高性能化を図る手段として，表面

� 摺動特性を考えた場合，表面テクスチャリングに期待さ改質は理に適った材料創製技術であると言える．一方で，れる主な効果(1)としては，表面改質技術は多岐に渡り，また目的は同じであっても技

１）動圧の発生術体系の異なる手法間での性能比較等はあまり行われて２）摺動面への潤滑油の供給いないのが実情で，日進月歩の最新技術を網羅するような３）異物の排出やトラップ技術の体系化は進んでいない．�の 3 つが挙げられる．もう少し広く見ると，表面の濡れ性

表面テクスチャリングは，表面改質の中でももっともシや流体抵抗の変化なども，テクスチャリングがもたらす効ンプルであり，かつ如何なる場合にも必須となる表面処理果として知られている．ただし，これらは定性的な一般論プロセスである．特に表面形状や表面粗さは，機械部品のであって，定量的に予測ができるのは，流体潤滑下で発生表面仕上げを規定する機械設計の基本中の基本とも言えする一部の動圧のみである．これが理論的な解明に限界をるパラメータであるが，トライボロジー特性との相関やそもたらす原因である．の影響については，未だに油膜パラメータΛを，流体潤滑� 図.1 に示したような一般的なストライベック曲線で考状態を判断する上での指標として論ずる程度に留まってえれば，トライボ要素表面のほとんどは，流体潤滑以外のいる．機械設計者や技術者らは，豊富な経験を踏まえたノ潤滑状態での摺動が余儀なくされることを認識しなけれウハウをもとに，対象とする摺動表面の最適な表面形状やばならない．すなわち，乾燥摩擦や混合潤滑を含む広義で粗さを決定し製品を作り出している．しかしながら，トラの境界潤滑状態においてこそ，表面テクスチャリング効果イボ理論に基づく合理的な設計手法では，表面テクスチャの発現が期待されるのであり，効果発現のメカニズムを明の指針すら提示することが難しいというのが実情である．� � �らかにすることによって，テクスチャ表面の設計指針を確
そこで本研究では，レーザ微細加工技術と ��� コーティング技術によって，摺動表面に様々な形状のレーザ・サー立し，表面改質の一つとして技術の体系化を図っていく必要がある．

フェス・テクスチャリング（���）を施した摩擦表面を作

このような背景のもと，“なじみ”という切り口から表製し，流体潤滑状態ならびに境界潤滑条件下における摩擦面テクスチャリングの効果を解明しようとする試みは，ま特性への影響を調べ，テクスチャリングによる摩擦低減効さに学術的なアプローチから合理的に現実解を導くため* 東京理科大学工学部

機械工学科

教授
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2016 VOL.26の方策として，その展開が期待されるものと言える．“なチスケール・テクスチャを設計し，具現化していくことがじみ”に着目することの重要な点は，最初に創製したテク求められている．

スチャが摩擦のプロセスを経る過程で変化すること，そし本研究では，レーザ微細加工技術を用い，数 10 ミクロて安定状態に至ったテクスチャこそが，改善効果をもたらンレベルでの表面テクスチャ構造を摺動表面に創製するすメカニズムを担うということを明確に認識することにことにより，このようなメゾスケールのテクスチャが摺動ある．ある摺動条件下において安定状態に至ったテクスチ特性に及ぼす影響を明らかにすることを目的とした．

ャこそが�“なじんだ表面”であり，このときのテクスチ�ャとは，単なる物理的な形状を意味するのではなく，化学�

組成やその表面近傍における空間分布の状態を包括した�ものを意味することになる．�

��
�
����
���
�
図２� マルチスケール・テクスチャリングの概念

図１� ストライベック曲線と各トライボ要素の潤滑状態

��

�
�

���� マルチスケール・テクスチャリング��� 実際のトライボロジー要素は，運転状況によって潤滑状

�

態が変化するとともに，なじみ後に続く安定状態にあって�もその表面は変化を免れない．特に境界潤滑状態において�

テクスチャリング効果を発現させるためには，予め初期の�テクスチャが変化することを織り込んだ表面設計が必要

�とされる．トライボロー挙動は，表面の極微小な領域での�特性によっても支配されるため，テクスチャリング表面の�設計に当たっては，表面の形状及び組成の空間分布をナ��ノ・マイクロからマクロレベルまでの連続したスケールで
図３� 表面テクスチャ創製プロセス扱うことも重要な視点である．図２に示すように，それぞれのスケールレベルで支配的となるトライボロジー現象

�を階層的に捉え，それぞれに対応したテクスチャを統合す

３．実験方法��ることによってトータル性能の向上を図るというものが，� ���� レーザ微細加工による表面テクスチャの創製�

筆者らの提案したマルチスケール・テクスチャリングの概念である(2)．

グリーン光 ���� パルスレーザー（波長 �����，��������）を光源とし，ガルバノヘッドによりレーザビームを ��×

テクスチャリングの単位スケールとその創製方法を図���� の範囲でスキャン可能なレーザ微細加工装置を開発

３にまとめた．近年の加工プロセスや材料創製技術の進歩し，これを用いて表面テクスチャを摺動サンプル表面に施によって，SAM（自己組織化膜）やナノコンポジットとした．最小加工穴径は約 ��μ� であるため，これよりも大いったナノスケールの表面制御から，ナノインプリントやきなディンプルやライン等からなる様々なパターンを作

LIGA（フォトリソグラフィー）プロセスのようなサブミ製し，摺動評価試験に供試した．�
�

クロンスケールの表面構造創製プロセス，そしてレーザや電子・イオンビームなどによるミクロンレベルの高エネル� ���� 摺動材料�

ギー加工プロセス，そしてサンドブラストや化学エッチン

本実験では，環境負荷の少ない潤滑システムの実現を目グ，精密機械加工といった低コスト・高効率プロセスを比指し，摺動材料には窒化ケイ素および ��� コーティング膜

較的容易に組み合わせて用いることも可能となっているを選定した．窒化ケイ素は，水潤滑下において超低摩擦を2)．対象とするトライボ要素に合わせ，これに適したマル示すことが知られており，また，��� コーティングは添加- 149 -

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表１に窒化ケイ素ディスクに施したディンプルパター�

剤フリー潤滑油でも摺動特性が優れることが知られているが，トライボ要素への実用化に際しては，高荷重・低摩ンの詳細を示す．シンプルの直径およびディンプル間の擦速度領域での摺動特性の改善が必須となっている．�

ピッチを変えて �� 種類の表面テクスチャを作製した．ディンプルの深さは ��μ� とした．表面に占めるディンプル

表１� ��� によるディンプルパターン�の面積割合は �～���であった．�

��

図４に窒化ケイ素加工表面の ��� 写真を示す．なお，窒�化ケイ素の場合は，レーザ光を窒化ケイ素表面に直接照射

�

してディンプルを作製し，レーザ照射痕周囲のデブリ等の�除去処理は行わず，そのまま摺動試験に用いた（３）．��

���� コーティングの場合には，コーティング後にレーザ�

加工を施すと，照射ダメージにより ��� 膜の剥離が起こり�易くなることが判った．そこで，ディスク基板の軸受鋼に

���� により表２に示す各種パターンを加工し，加工痕周辺

�のデブリ等をラッピング処理により除去した後，����（ア�ンバランスドマグネトロンスパッタリング）法により，����

コーティングを施した．��� コーティング膜の厚さは，約��μ� であった．テクスチャの基本パターンは三角形，楕

�円，円を用い，全てのパターンにおいて面積率を約 ��に�揃えた．図５示すように，��� コーティングの場合には，

�

断面形状に矩形のものと深さにグラディエーションを施�したものの � 通りの形状を採用した．パターン �，� は摺�

動方向に深さのグラデーションを施したものである．�

�

図６に ��� コーティングディスクの一例として，パター�ン � の光学顕微鏡写真を示す．三角形の凹形状は，常に摺�動方向に対して同じ角度となるよう円周上に並べられて�いる．表 � にアスペクト比（���）を変えた，各テクスチ

�ャパターンのパラメータを示す．テクスチャの形は三角形
�であり，摺動方向は底辺から頂点への方向，摺動方向の幅

��� ディンプルパターンの光学顕微鏡像�

は ���µ� とした．面積率は ����である．表４面積率（凹�部の面積�加工面の全面積）を変えた，各テクスチャパタ

�ーンのパラメータを示す．テクスチャの基本パターンは三�角形である．パターン ��～�� は断面が矩形，パターン ���～�� は断面が深さにグラデーションを施したものである．�

��
表２� DLC コーティングディスク上のパターン

��Pattern1234

Geometry

Triangle

TriangleEllipse

EllipseTop toBase

Base toTopLong
side

Shortside380

380450150�

Sliding
direction
Width/Diameter[µm]
Area ratio[%]13131313�

Depth[µm]10101010�

Pattern

5678

Geometry

CircleDimpleTriangle

Triangle--

Top toBase

Base toTop30040800

800Area ratio[%]13131414

Depth[µm]1010--

���� レーザ顕微鏡によるディンプルの � 次元形状�
����

Sliding
direction
Width/Diameter
[µm]

���
��� ディンプル周辺の ��� 像�
図４� 窒化ケイ素表面に作製したディンプルパターン�- 150 -

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���� 摺動試験�

表３� アスペクト比の異なる３角形状パターン

摩擦試験機の概略を図７に示す．本摩擦試験機は，モーPattern

9101112

Aspect ratio

0.033

0.038

0.0460.061

Area ratio[%]8.38.38.38.3

機構により一定荷重をかける構造となっている．カップをDepth[µm]6.57.69.212.1

静圧軸受で支えることで，カップ固定台から伸びた梁によPattern

131415

Aspect ratio

0.097

0.1220.174

Area ratio[%]

8.3

8.38.3

片には，窒化ケイ素を用いた，ディスク試験片には，テク

Depth[µm]19.424.334.8

スチャを施した窒化ケイ素と ��� コーティングを用いた．

ター側の軸に固定されたリング試験片の端面を，潤滑油で満たしたカップ内のディスク試験片に押し付け，荷重制御り摩擦係数測定用ロードセルを押す力の高精度測定が可能である．摩擦試験における荷重は ���，���，���� とし，回転速度は ��，��，��，���，������ とした．リング試験

潤滑油は，窒化ケイ素の場合には水を，��� コーティングの場合には無極性無添加潤滑油としてスクアランを用い

表４� 面積比率の異なる 3 角形状パターン

Pattern

1617181920た．試験中の潤滑油の温度は，� 熱電対を用いて測定した．��

21

�Area ratio[%]

3.3

4.3

5.8

8.3

10.3

16.8

Aspect ratio

0.033 0.033

0.033

0.033 0.033

0.033

�
�

Pattern222324252627

Area ratio[%]

3.3

4.2

5.8

7.9

10.3

16.1

φ18�

φ14�

�

Ring sample

Disk sample��

φ25����
������ � � (a) 矩形� � � � � �(b) 傾斜�
図７� リングオンプレート型摩擦試験機の概略�
�

図５� ディンプルの断面形状

４．実験結果�� ���� 水潤滑下における窒化ケイ素の摺動特性��� 図 � にテクスチャを施した窒化ケイ素の水潤滑下での�

摩擦特性の一例を示す．研磨面オリジナルに比べ，軸受特�

性数の小さい領域（低速・高荷重域）において摩擦低減効

�

果が確認された．また，ディンプル形状は，直径 ��μ��

でピッチが ���μ� の面積率 ��の表面の方が，潤滑性向上

�

効果が大きいことも判った．尚，効果が見られた潤滑領域

�は，境界潤滑から混合潤滑の領域で顕著であったことから，

�

テクスチャリングの効果は，単に流体潤滑膜における動圧�発生効果のみによるのではなく，境界潤滑状態における摩1 mm

�

擦低減効果が発揮されたものと考えられる．�
��

摩擦面の ��� 観察および ������� 分析を行ったところ，

�図９示すように，窒化ケイ素ディスク摩擦面のディンプル図６� ��� コーティング表面のテクスチャの様子�には，摩擦時間の経過とともに摩耗排出物によって埋まり，ディンプル形状が消滅している様子が確認された．また，- 151 -

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ディンプルを埋めている物質は，窒化ケイ素と水との反応れた．このような潤滑性向上効果を定量的に評価するため，により形成されたと考えられるシリコン酸化物もしくはストライベック線図において，境界・混合潤滑と流体潤滑水和物であることが判った．�

領域における摩擦データをそれぞれ線形に近似し，� 直線

以上より，表面テクスチャの効果は，表面のなじみや，摩耗粒子の補足効果，さらには摩擦表面におけるトライボの交点の軸受特性数を混合潤滑から流体潤滑へ遷移する軸受特性数を遷移軸受数と定義した．�
�

ケミカル反応によってもたらされるものと考えられる．�
特に，ディンプル形状を施した摩擦表面では，ディンプル�内で負圧よるキャビテーションの発生が予測されること�から，キャビテーションの生成・消滅に起因するソノケミ�ストリーによる化学反応促進効果が表面テクスチャ効果

�に関与している可能性も考えられる．�

�����������

�

図 ��� テクスチャ付与 ��� 摩擦面の ��� 像���������������

�図８� ��� による窒化ケイ素の水潤滑特性改善効果�

����

����

�

���
�

�
図 ��� ��� の摩擦特性に及ぼす ��� パターンの影響���

図９� 摩擦面の ������� 分析結果�

各表面テクスチャパターンにおける遷移軸受数をまと���ディンプル周辺の摺動表面�めたものを図 �� に示す．棒グラフは三角形状のテクスチ

���ディィンプル内埋詰面� �

ャの遷移軸受数を示し，三角形状のテクスチャは摺動方向，

�断面形状に関わらず，��×���� 以下のほぼ同じ数値を示し

�た．テクスチャのない表面の遷移軸受数が約 ��×���� であ���� 表面テクスチャを施した ��� 膜の摺動特性�
� 摩擦試験後の ��� テクスチャ表面の ��� 写真を図 �� にるので，これよりも低い値を示した表面テクスチャは，流示す．摩擦面には，相手摺動材料の窒化ケイ素移着物が見体潤滑領域の拡大効果があると判断でできる．また，図られたが，��� 膜の剥離等の損傷は観察されなかった．ま�� 示したプロットは，円や楕円形状の遷移軸受数を縦軸た，ディンプルが摩耗粉で埋まるような様子も見られなかの ��� でまとめたものである．この図より，摺動方向に長���った ．�

い形状のものほど遷移軸受数が低く，流体潤滑領域の拡大パターン �� と �� について，テクスチャ無しの ��� 膜とに効果のあることが確認された．�

摺動特性を比較した結果を図 �� に示す．潤滑油には無極テクスチャ断面のアスペクト比，面積率を変化させた場性基油のスクワランを用いた．一連の実験においては，���合の摺動特性への影響を図 �� に示す．アスペクト比が減膜にテクスチャを施したすべてのパターンにおいて同様

少するにつれ，遷移軸受数は低下する傾向があることが分の傾向，すなわち，境界潤滑領域と混合潤滑領域においてかった．アスペクト比 ����～���� では遷移軸受数が ��×

摩擦係数が低減し，流体潤滑領域が拡大することが確認さ���� 以下となり，流体潤滑領域の拡大に効果があることが- 152 -

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確認された．また，面積率が増加するにつれ，遷移軸受数も改善した．ただし，トライボケミカル反応によるシは低下する傾向があることが分かった．断面が矩形のもの

リコン酸化物もしくは水和物がディンプルを埋めるこは面積率 ����以上，深さにグラデーションを施したものとにより，表面テクスチャが消失することが確認され��た．�

は面積率 ����以上で遷移軸受数が ��×�� 以下となり，流体潤滑領域の拡大に効果があることが確認された���．�

��� 耐摩耗性に優れる ��� コーティングを ��� に適用した

�

結果，膜の剥離は観察されず，摩耗による表面テクス�

チャ消滅も抑制されることが確認された．�

�

��� スクアラン潤滑した ������� 膜の摺動試験においては，

�全てのテクスチャパターンにおいて，境界潤滑領域・

�

混合潤滑領域での摩擦低減効果が見られた．流体潤滑�領域の拡大には，三角形状ならびに摺動方向に長い楕

�

円形状が有効であった．また，テクスチャを形成する�

ディンプルのアスペクト比の小さいものほど，また凹�

部の占める面積率が大きいものほど，混合潤滑から流�

体潤滑への潤滑状態の変化を表す遷移軸受数は低下す�

る傾向を示し，流体潤滑領域の拡大に効果的であるこ�とが判った．�
��

６．あとがき��

表面テクスチャリングによって摩擦特性を改善する試
図 ��� 潤滑状態遷移に及ぼす ��� パターンの影響�

みは古くよりあるが，ナノ・マイクロサイズのパターンを�

ミリサイズパターンと融合し，実用部品サイズに適用・評�価する研究は行われていない．レーザプロセッシング技術

�は，ナノからマクロまでの広い領域において，高効率で高�

精度な加工を可能とするものであり，摺動表面へのマルチ�

スケール・テクスチャリング技術を適用，展開していく上�

で重要なツールになるものと考えられる．また，単なる除�

去加工に留まらず，局所的な熱処理加工や，� 次元形状付�

加加工への利用���も大いに期待される．今後はさらに，レ�ーザプロセッシングの持つ高いポテンシャルを活用し，ト�ライボロジー特性に優れる実用的な摺動表面の開発に取�り組んでいく予定である．�

��謝� 辞�����

本研究は，公益財団法人天田財団からの一般研究開発助図 ��� 潤滑状態遷移に及ぼす三角形状パターンのアスペクト比ならびに面積比率の影響�

成（����������）により実施した研究に基づいていることを付記するとともに，同財団に感謝いたします．�

�５．まとめ参考文献

レーザ微細加工法を用いて，窒化ケイ素および ��� コー
ティングの摩擦表面に各種テクスチャを施し，摺動特性改

1) 佐々木:：トライボロジスト，60，4（2015）241-248

善効果を調べた結果，以下の知見を得た．�

2) 佐々木：日本塑性加工学会誌，56，657（2015）49-53
3) H.Yamakiri, S.Sasaki, K.Kurita, E.Kasashima:,

�Tribology International, 44 (2010) 579 – 584.

��� 窒化ケイ素にディンプル加工を施すことにより，水潤滑下における境界・混合潤滑領域における摩擦特性は

4) 佐々木：表面技術，65，12 (2014) 568-572

大幅に向上し，本実験で作製したパターンの中では，

5) S.Sasaki:, Proc. of ECOTRIB (2011) 289-291

ディンプル直径 ��μ�，ピッチ ���μ� の場合にもっと

6) 佐々木：月刊トライボロジー，239(215)33-41- 153 -